Генераторы релаксационных колебаний

В рассмотренных LC – и RC – генераторах цепи ОС отделены от активных элементов, однако существует большая группа генераторов, в которых внешних цепей ОС нет совсем. Это так называемые генераторы с внутренней ОС на активных элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением – туннельных диодах (ТД), динисторах и т.п., где компенсация потерь в колебательном контуре осуществляется за счет отрицательного сопротивления активного элемента. Пример такого генератора на ТД приведен на рис. 6.7 а, вольт–амперная характеристика ТД и форма U_вых (t) – на рис. 6.7 б,в соответственно. При выборе E в интервале U ₁ < E < U ₂ в схеме возникают релаксационные колебания вида рис. 6.7 в. Аналогично работают генераторы на динисторах и тиристорах. Заметим, что форму U_вых (t) релаксационного генератора можно сделать гармонической, если в схему включить колебательный контур, который обеспечит фильтрацию высших гармоник выходного напряжения.

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы (КГ) получили свое название от кристалла кварца, который используется в генераторе вместо колебательного контура. Добротность колебательного контура на кварце и его стабильность настолько велики, что достичь таких значений в схемах генераторов LC– или RC– типа просто невозможно. Для сравнения, температурный коэффициент частоты (ТКЧ) LC– и RC –генераторовлежит в интервале 10^‑4…10^‑3 град^–1, в то время как ТКЧ КГ – 10^‑7…10^‑6 град^–1, т.е. минимум на два порядка лучше. Две типовые схемы КГ приведены на рис. 6.8 – Пирса (рис. 6.8 а) и Колпитца (рис. 6.8 б). В этих схемах кварц Q включается в цепь отрицательной ОС усилителя на ПТ, однако на частоте резонанса кварц вносит дополнительный фазовый сдвиг на 180°, в результате чего ОС становится положительной. При этом в схеме Колпитца (рис. 6.8 б) для облегчения возбуждения применен емкостной делитель на элементах С ₁ и С ₂, в результате чего схема становится похожей на емкостную трехточку.

В интегральных технологиях, где реализация индуктивности вызывает определенные затруднения, более популярной является схема КГ Пирса вида рис. 6.9 а, где величина R ₁ обеспечивает линейный режим работы инвертора и согласование импедансов усилителя и кварцевого резонатора (КР), R ₂ снижает петлевое усиление, улучшая стабильность и форму выходного сигнала, а кристалл КР вместе с нагрузочными емкостями образует цепь ОС. Поскольку эквивалентная схема КР (рис. 6.9 б) является избирательной RLC – цепью, где L и С определяются механическим свойствами кристалла, R характеризует активное сопротивление КР, а С ₀ представляет паразитную емкость соединительных проводников и электродов, в ней возможен как последовательный, так и параллельный резонансы с частотами и соответственно. Чтобы сблизить эти частоты, параллельно КР подключают емкости С ₁, С ₂, образующие эквивалентную нагрузочную емкость , что делает частоты f_пос и практически одинаковыми, исключая влияние паразитных элементов на стабильность частоты КГ, работающего в схеме Пирса на параллельном резонансе.

Форма колебаний выходного напряжения КГ в режиме возбуждения аналогична рис. 6.1 б и может быть представлена выражением

, (6.8)

где – декремент затухания, – собственная частота КР, Q_Э – его эквивалентная добротность. Отсюда, время установления стационарного режима

(6.9)

пропорционально Q_Э, т.е. применение высокодобротных КР целесообразно на высоких частотах. Заметим еще, что поскольку С ₁, С ₂ образуют емкостный делитель в цепи ОС, при наличии которого , то чаще всего в практических реализациях выбирают С ₁ = С ₂.